Проектування надійного повітряного та газонаповненого обладнання на 24 кВ

Наразі в Китаї основні середньовольтні розподільні мережі працюють на напругу 10 кВ. З поширенням економіки значно зросли електроенергетичні навантаження, що все більше виявляє обмеженості існуючих методів забезпечення електроенергією. Враховуючи виняткові переваги високовольтного комутаційного обладнання на 24 кВ у задоволенні потреб у більшій пропускній здатності, воно тихо набуло популярності в галузі. Після публікації "Повідомлення про продвиження напруги 20 кВ" Державної мережевої корпорації, клас напруги 20 кВ швидко набув популярності.

Як ключовий продукт для цього класу напруги, конструкція та дизайнерське рішення ізоляції високовольтного комутаційного обладнання на 24 кВ стали центральними темами в галузі. Відповідно до стандарту електроенергетичної галузі "Загальні технічні вимоги до високовольтного комутаційного обладнання та обладнання контролю" (DL/T 593-2006), конкретні вимоги до ізоляції комутаційного обладнання чітко визначені. Вимоги до ізоляції продуктів на 24 кВ такі:

Мінімальна повітряна відстань (між фазами, між фазою та землею): 180 мм; Стійкість до перетворювальної напруги (між фазами, між фазою та землею): 50/65 кВ/хв, (через зони ізоляції): 64/79 кВ/хв; Стійкість до ударної напруги (між фазами, між фазою та землею): 95/125 кВ/хв, (через зони ізоляції): 115/145 кВ/хв.

Примітка: Дані ліворуч від слеша стосуються систем з твердою заземленою нейтральною точкою, а дані праворуч — систем з нейтральною точкою, заземленою через дуговий приглушник, або без заземлення.

Високовольтне комутаційне обладнання на 24 кВ можна розділити за методом ізоляції на металеве закрите комутаційне обладнання з повітряною ізоляцією та кільцеві головні супорядки з газовою ізоляцією SF6. Металеве закрите комутаційне обладнання з повітряною ізоляцією на 24 кВ, особливо тип з виводними секціями (далі — комутаційне обладнання на 24 кВ з виводними секціями), стало ключовим предметом проектування. У цій статті обговорюються декілька рекомендацій щодо конструкції та дизайну ізоляції комутаційного обладнання на 24 кВ з виводними секціями та кільцевих головних супорядків з газовою ізоляцією SF6, які надаються для ознайомлення та коментарів.

1. Проектування комутаційного обладнання на 24 кВ з виводними секціями

Технологія комутаційного обладнання на 24 кВ з виводними секціями походить з трьох джерел: Перше, модифікація продукту KYN28-12 на 12 кВ шляхом безпосередньої заміни компонентів, пов'язаних з ізоляцією. Друге, зарубіжні продукти з виводними секціями, які входять на внутрішній ринок, таких як ABB та Eaton Senyuan. Третє, самостійно розроблене комутаційне обладнання на 24 кВ з виводними секціями в Китаї. Третій тип, розроблений спеціально для існуючих технічних умов та вимог в Китаї, є найбільш конкурентоспроможним на ринку. Тому під час його проектування необхідно повністю врахувати загальну конструкцію продукту та дизайн ізоляції, як детально описано нижче:

1.1 Рівновисотна конструкція шафи та трикутна конфігурація шин

Більшість комутаційного обладнання на 12 кВ з виводними секціями має конструкцію, яка вища спереду і нижча ззаду, з трифазними шинами, розташованими в трикутній (дельта) конфігурації, і приладною камерою, яка є зникаючою, незалежною конструкцією. Якщо цей метод буде використаний для комутаційного обладнання на 24 кВ з виводними секціями, очевидно, він не зможе задовольнити мінімальну вимогу до повітряної відстані 180 мм. Тому комутаційне обладнання на 24 кВ з виводними секціями повинно мати рівновисотну конструкцію шафи, з приладною камерою, інтегрованою в основну шафу.

Висота шафи повинна бути відповідно збільшена до 2400 мм, що надає більше простору для камер шин та вимикачів. Шинні втулки повинні бути розташовані в трикутній конфігурації. Цей підхід не тільки задовольняє вимоги до повітряної відстані, але також ефективно приглушає та стійко витримує електромагнітні сили, покращує теплообмін шин та підвищує надійність ізоляції.

1.2 Розумний дизайн ширини комутаційного обладнання

З точки зору надійності ізоляції, повітряна ізоляція є найнадійнішим методом; якщо гарантована мінімальна ізоляційна відстань, ізоляція може бути повністю забезпечена. При повному повітряному дизайну теоретична ширина комутаційного обладнання на 24 кВ повинна бути 1020 мм. Однак, в реальному виробництві більшість виробників вибирають ширину шафи 1000 мм, що вимагає використання комплексної ізоляції. Зазвичай, на шини наносяться термочеперевідні трубки, а між фазами та між фазою та землею встановлюються бариери з SMC (Sheet Molding Compound) для підвищення ізоляції.

1.3 Дизайн для рівномірного розподілу електричного поля

Тести доводять, що чим вищий рівень напруги, тим вище локальна сила електричного поля під час тестів на стійкість до перетворювальної напруги, іноді з помітними звуки коронного розряду. Згідно з регламентом, якщо не відбувається руйнівний розряд, тест вважається пройденим. Однак, висока локальна сила електричного поля може впливати на здатність продукту витримувати перевищення напруги під час нормальної роботи. 

Тому, при проектуванні продукту, слід надавати перевагу досягненню максимально рівномірного розподілу електричного поля, уникнення локального концентрування поля. З практичного досвіду, формування провідників для досягнення рівномірного поля є ефективним. Для зрізаних кінців шин, використовуйте фрезу для формування, щоб придати кінцям круглі кути. Для кінців шин всередині контактної коробки, спочатку придайте їм напівкруглу форму, потім фрезуйте їх до круглих кутів. Там, де це можливо, встановіть металевий екран поза плодовими контакти вимикача, або вбудуйте металеву екраничну сітку при відливанні контактної коробки. Ці заходи можуть ефективно рівномірно розподілити електричне поле, приглушити піки поля та подальше підвищити рівень ізоляції.

1.4 Використання ізоляційних матеріалів з довгим шляхом злизу

Ізоляційні матеріали, такі як втулки, контактні коробки та опорні ізолятори, повинні мати розширений шлях злизу та достатню довжину шляху злизу, щоб задовольнити вимоги до ізоляції на 24 кВ. Особливо при проектуванні контактних коробок, необхідно додати металеву екраничну сітку, а внутрішню порожнину використовувати структуру, схожу на мову, щоб уникнути проблем, властивих кільцевим структурам, які не можуть ефективно приглушити конденсацію та накопичення забруднень під час роботи.

2. Проектування газозаповнених кільцевих головних супорядків на 24 кВ з ізоляцією SF6

Зарубіжні газозаповнені кільцеві головні супорядки на 24 кВ почали розвиватися рано; компанії, такі як Siemens та ABB, представили їх ще в початку 1980-х років. Це тому, що багато зарубіжних країн використовують 24 кВ як основну середньовольтну розподільну напругу. Їхні продукти технологічно високорозвинені, високопродуктивні та надійні. Внутрішні газозаповнені кільцеві головні супорядки на 24 кВ з ізоляцією SF6 почали розвиватися лише в останні роки. Обмежені різними умовами, продукти все ще знаходяться на стадії досліджень, розробки та тестування.

З огляду на високий рівень технології газозаповнених кільцевих головних супорядків на 24 кВ з ізоляцією SF6, їхня конструкція та дизайн ізоляції повинні опиратися на зрілий зарубіжний досвід. Нижче наведено кілька рекомендацій щодо конструкції продукту та дизайну ізоляції:

2.1 Акцент на раціональній конструкції

Оскільки всі живі частини та вимикачі в газозаповнених кільцевих головних супорядках на 24 кВ з ізоляцією SF6 запечатані в нержавіючу сталеву оболонку, заповнену газом SF6, вони компактні. При проектуванні конструкції необхідно повністю врахувати силу ізоляції та вологість ізоляційного газу, щоб раціонально спроектувати розміри шафи. Одиниця повинна мати повну функціональність, бути легка в управлінні та мати просту конструкцію.

2.2 Розширення конфігурацій

Дизайн конфігурації повинен мати можливість розширення. До певної міри, якість продукту та його потенціал для широкого використання залежать від його конфігураційної гнучкості. Стандартизований, модульний дизайн дозволяє гнучке розширення зліва та справа.

2.3 Надійність дизайну ізоляції

Основний ризик для газозаповнених кільцевих головних супорядків на 24 кВ з ізоляцією SF6 полягає в погіршенні характеристик ізоляції. Фактори, що впливають на погіршення ізоляції, включають: витікання газу SF6; полімерні ізоляційні або герметизуючі матеріали, які мають певну проникність для різних газів (наприклад, водяного пару), що призводить до неприйнятної конденсації на внутрішніх стінках контейнера; контроль вмісту вологи в газі SF6; та тріщини в ізоляційних компонентах.

Для запобігання погіршенню ізоляції, необхідно вживати відповідні заходи, такі як: виготовлення газового контейнера з нержавіючої сталі за допомогою повного заварювання, без залишку відкритих отворів; виготовлення втулок для підключення кабелів з епоксидної відливної смоли та їх інтегральне заварювання з контейнером; підвищення герметичності газового контейнера, щоб мінімізувати проникність водяного пару; регулярне вимірювання вмісту вологи за допомогою влагоміра SF6, розміщення відповідної кількості засобу відволоження в герметичному контейнері та строге висушування всіх компонентів відповідно до визначеної температури та часу; при відвакуумуванні та заповненні комутаційного обладнання SF6, очищення ліній заповнення високої чистоти N2 або SF6 газом; та мінімізація внутрішніх механічних напружень в ізоляційних компонентах, щоб запобігти старінню та появі тріщин. Ці заходи ефективно підвищать надійність ізоляції.

3. Висновок

Хоча конструкція та дизайн ізоляції високовольтного комутаційного обладнання на 24 кВ базуються на комутаційному обладнанні на 12 кВ, вимоги до них набагато вищі. Більше того, через недостатній практичний досвід, всі впливаючі фактори повинні бути повністю враховані під час процесу проектування, щоб задовольнити стандарти продуктів.